一、引言 電力系統(tǒng)對電力自動(dòng)化設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量的要求已越來越高，各科研單位和制造廠家在科研上的投入也越來越多，其樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)很高，但批量生產(chǎn)后很多產(chǎn)品的運(yùn)行并不理想，這主要是在生產(chǎn)過程中調(diào)試、試驗(yàn)和檢驗(yàn)設(shè)備不夠全面所至。 不管是早期的晶體管，集成電路，還是現(xiàn)在的微機(jī)保護(hù)裝置，其傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式和調(diào)試方法基本上是一致的，一般采用包干制，從單板到整機(jī)調(diào)試在同一工位完成，這既影響產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，又難于批量生產(chǎn)，效率低，而整屏的出廠檢驗(yàn)大都采用對單屏進(jìn)行人工對線而不是對構(gòu)成的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行模擬運(yùn)行環(huán)境下的各種試驗(yàn)。 南瑞繼保電氣有限公司在生產(chǎn)質(zhì)量控制手段方面做了深入的工作，為確保批量產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，減少人為誤差因素，提高生產(chǎn)效率建立了高技術(shù)的全自動(dòng)生產(chǎn)線。所有產(chǎn)品按模塊分解，形成流水作業(yè)，首先進(jìn)行單模塊的自動(dòng)測試，然后對整機(jī)進(jìn)行自動(dòng)試驗(yàn)，這種全微機(jī)化單板測試儀和全自動(dòng)微機(jī)整機(jī)試驗(yàn)儀的研制成功并投入使用，不但大大提高勞動(dòng)效率，而且從根本上改變了繼電保護(hù)生產(chǎn)調(diào)試的理念，杜絕了由人為因素引起的產(chǎn)品質(zhì)量問題。但是，采用這種方法只能對單個(gè)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，確保單一裝置的產(chǎn)品質(zhì)量。 然而，電力系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，其自動(dòng)化產(chǎn)品需經(jīng)組屏使用，對整屏僅僅采用人工對線是不夠的，為了提高整屏質(zhì)量，要求所有整屏在出廠前完成在運(yùn)行環(huán)境下的各種試驗(yàn)。當(dāng)然，這種試驗(yàn)可以通過建立各種物理動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室來加以實(shí)現(xiàn)，但是，建造各種動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室投資大、占地多、周期長、接線方式更改困難，而且也不能滿足對大批量產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)的要求。因此，研究一種投資少，體積小，接線方式更改方便，并能方便操作的實(shí)用化仿真系統(tǒng)顯得非常重要。 本文在認(rèn)真分析南瑞繼保電氣公司生產(chǎn)的電力自動(dòng)化設(shè)備和各仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出可以通過解算簡化的數(shù)學(xué)模型和采用波形回放技術(shù)來實(shí)現(xiàn)提供相應(yīng)的電力自動(dòng)化設(shè)備測試用的仿真系統(tǒng)，完成各種電力自動(dòng)化設(shè)備批量產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)。 二、電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng) 數(shù)字仿真是一門集計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、控制技術(shù)及相關(guān)專業(yè)應(yīng)用的綜合學(xué)科。數(shù)字仿真是用描述真實(shí)系統(tǒng)/對象的數(shù)學(xué)模型來代替真實(shí)系統(tǒng)/對象進(jìn)行試驗(yàn)和研究的一種專門的技術(shù)。系統(tǒng)數(shù)字仿真具有獨(dú)特的靈活性、試驗(yàn)的可控制和準(zhǔn)確的可重復(fù)性及系統(tǒng)試驗(yàn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)使得這門交叉學(xué)科在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。 1、電力系統(tǒng)數(shù)字仿真 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真是將數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)領(lǐng)域的分析、研究和試驗(yàn)中，是系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要分支。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真在電力系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用，按其功能分主要有兩種：一是用來對運(yùn)行人員進(jìn)行培訓(xùn)的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，培訓(xùn)仿真系統(tǒng)主要分為：電網(wǎng)調(diào)度員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)、大型火電廠運(yùn)行人員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)、變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)及教學(xué)用簡易培訓(xùn)仿真系統(tǒng)。二是用來對各種電力自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行仿真試驗(yàn)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。 2、電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng) 電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)不但可以用以電力系統(tǒng)的仿真分析研究，它還可以提供電力系統(tǒng)一次設(shè)備，各類控制系統(tǒng)，各種電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)字仿真試驗(yàn)的閉環(huán)試驗(yàn)環(huán)境。這類電力系統(tǒng)數(shù)字仿真器對它的實(shí)時(shí)仿真能力要求很高。它是由高速計(jì)算機(jī)及信號輸入輸出通道，結(jié)合被仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)仿真算法、良好的人機(jī)接口，并配以性能優(yōu)良的電壓/電流等功率放大部件的綜合組成。 文獻(xiàn)介紹的由加拿大RTDS技術(shù)公司研制的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[8]介紹了由加拿大IREQ研究所和TEQSIM公司開發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的實(shí)現(xiàn)。這兩種仿真器均擁有比較全面和詳細(xì)的電力系統(tǒng)元件模型，雖然具有通用性，但價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，不利于針對某種特定用途的使用。 三、一種新型電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng) 由于電力自動(dòng)化產(chǎn)品對電力系統(tǒng)安全起著至關(guān)重要的作用，因此，總希望電力自動(dòng)化產(chǎn)品在投入電力系統(tǒng)運(yùn)行前在真正電力系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行各種考驗(yàn)，在以前，這必須建立以真實(shí)物理原型的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室，這些物理模型如發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、斷路器等，體積大，價(jià)格昂貴，功率大，特別是真實(shí)的斷路器，壽命短，控制回路復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)室，更改主接線困難，況且，一般來講只能建立單一的電網(wǎng)，而不能建立完全的變電站，因此這種動(dòng)模試驗(yàn)室一般用作新產(chǎn)品的開發(fā)階段的各種試驗(yàn)，以驗(yàn)證產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)要求，而無法用做大規(guī)模產(chǎn)品的出廠試驗(yàn)。 為了完善電力自動(dòng)化產(chǎn)品出廠前的各種試驗(yàn)，依靠動(dòng)模試驗(yàn)室和傳統(tǒng)的試驗(yàn)裝置是不行的，這就促使開發(fā)研制電力系統(tǒng)專用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。這種電力系統(tǒng)仿真可方便地構(gòu)造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置參數(shù)，實(shí)時(shí)仿真被仿的電力系統(tǒng)在各種運(yùn)行工況及故障情況下的動(dòng)態(tài)行為。 1、新型電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)框圖 電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)主要面向工程應(yīng)用、其仿真設(shè)備較多，為了便于操作使用，盡量減少外圍設(shè)備和硬件構(gòu)件，充分利用微機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成芯片來完成仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 2、后臺(tái)控制系統(tǒng) 后臺(tái)控制系統(tǒng)由PC機(jī)組成，主要為人機(jī)對話界面，包括仿真系統(tǒng)的模型、運(yùn)行方式、各種操作、參數(shù)選擇、波形顯示及被試設(shè)備的動(dòng)作信息等主要功能。后臺(tái)控制系統(tǒng)通過并行接口與前臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換，并控制前臺(tái)系統(tǒng)的仿真運(yùn)行。 3、前臺(tái)控制系統(tǒng) 前臺(tái)控制系統(tǒng)是仿真系統(tǒng)的核心部分，它接收后臺(tái)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、操作指令來控制仿真試驗(yàn)。通過光電回路接收被試設(shè)備的控制命令以及接收仿真系統(tǒng)斷路器、刀閘等一次設(shè)備的狀態(tài)命令，根據(jù)后臺(tái)控制系統(tǒng)中的各種仿真數(shù)字信號，通過D/A變換將仿真系統(tǒng)的模擬波形送至功率放大器帶動(dòng)被試驗(yàn)設(shè)備，并根據(jù)后臺(tái)控制系統(tǒng)的操作命令來完成各種仿真試驗(yàn)。 4、功率放大器 功率放大器接收由前臺(tái)控制系統(tǒng)送來的模擬信號，通過功率放大輸出至被試設(shè)備及系統(tǒng)，它必須具有良好的線性度、穩(wěn)定性以及高性能的頻率特性。 5、模擬斷路器 模擬斷路器必須能模擬實(shí)際斷路器的所有功能，它的動(dòng)作行為及主要功能要完成符合實(shí)際斷路器的情況，它根據(jù)仿真系統(tǒng)的操作命令或者根據(jù)被試設(shè)備及系統(tǒng)的動(dòng)作命令來實(shí)現(xiàn)斷路的分合，并根據(jù)斷路器的位置狀態(tài)來改變仿真系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 四、電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)過程 為了實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的最終目的，需要對仿真系統(tǒng)輸出的波形、開關(guān)量信號進(jìn)行識別，以及對輸入的數(shù)據(jù)和各種信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。根?jù)仿真系統(tǒng)的用途，完成各功能模塊和良好的人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)，因此，要得到最佳的仿真系統(tǒng)，第一步就是要確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)和信號處理要求。 第二步是根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行高級語言的模擬，也稱作算法模擬，這種算法模擬主要是驗(yàn)證算法的可行性。 第三步是設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)首先要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量的大小、對運(yùn)算精度的要求、系統(tǒng)成本限制以及體積、功耗等要求選擇合適的微處理器芯片及外圍電路。軟件設(shè)計(jì)和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的微處理器芯片編寫相應(yīng)的程序，一般后臺(tái)系統(tǒng)采用高級語言編程。應(yīng)用這種方法，既可縮短軟件開發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求。 第四步是硬件和軟件的調(diào)試。 第五步是系統(tǒng)集成。 五、故障波形回放技術(shù) 由于仿真系統(tǒng)的開發(fā)目的主要是面向工程應(yīng)用，主要是完成南瑞繼保電氣公司電力自動(dòng)化產(chǎn)品出廠試驗(yàn)，因此為了節(jié)約開發(fā)資源，對有些仿真系統(tǒng)，沒有建立大型的數(shù)學(xué)模型，而是采用了另一種比較直接的方法，即從動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室中直接錄取仿真系統(tǒng)所需的各種波形，然后在后臺(tái)系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值、平滑、同步等數(shù)據(jù)處理，通過前臺(tái)實(shí)時(shí)回放，功率放大等再現(xiàn)原仿真系統(tǒng)的試驗(yàn)環(huán)境。 由于要確保仿真波形與動(dòng)模采集波形的一致，因此在仿真數(shù)據(jù)的處理上盡可能地將非實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)，作數(shù)據(jù)預(yù)處理，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。 在故障波形的回放中，對故障錄波數(shù)據(jù)，根據(jù)錄波數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和條件，有時(shí)需作各通道數(shù)據(jù)的同步處理，以保證回放時(shí)各通道數(shù)據(jù)在時(shí)步上的一致性，另外根據(jù)錄波數(shù)據(jù)的密度，以及回放時(shí)的采樣速率的差別，對于較低采樣速率的錄波數(shù)據(jù)，采用適當(dāng)?shù)牟逯捣椒?，以減少實(shí)時(shí)回放數(shù)據(jù)的計(jì)算要求。 六、幾種新型電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)簡介 1、線路實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng) 線路實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是用簡化的精確數(shù)字模型來代替真實(shí)的物理原型，在建立系統(tǒng)模型時(shí)，考慮到只需要檢測線路保護(hù)，因此，將二端發(fā)電機(jī)模型用不同容量的三相電源代替，采用理想的匝比系數(shù)和漏抗的變壓器為△/Y接法，中性點(diǎn)接地；三相輸電線路用集中參數(shù)描述。這種仿真系統(tǒng)是利用高速并行處理系統(tǒng)，來解算方程式，經(jīng)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生負(fù)荷電流電壓和故障電流、電壓。 2、變壓器實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)　　 變壓器實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是從動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室直接錄取仿真系統(tǒng)所需的變壓器的各種波形，然后在計(jì)算機(jī)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，平滑等處理，然后經(jīng)D/A變換來產(chǎn)生電壓和電流。 本公司還完成了母線保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、變電站仿真系統(tǒng)，這些仿真系統(tǒng)對本公司電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的試驗(yàn)，取得了良好的效果 七、結(jié)束語 本文提出通過解算簡化的數(shù)學(xué)模型和采用波形回放技術(shù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電力自動(dòng)化設(shè)備的仿真系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、編程靈活、硬件及功能擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，在工程化的應(yīng)用已起著非常重要的作用，但仍存在一些問題沒有得到很好的解決，例如如何產(chǎn)生較大短路電流（比如100安培），今后需進(jìn)一步研究。